Siliciumcarbidkeramik og deres forskellige fremstillingsprocesser

Siliciumcarbid (SiC) keramiker almindeligt anvendt i krævende applikationer såsom præcisionslejer, tætninger, gasturbinerotorer, optiske komponenter, højtemperaturdyser, varmevekslerkomponenter og atomreaktormaterialer. Denne udbredte anvendelse stammer fra deres exceptionelle egenskaber, herunder høj slidstyrke, fremragende termisk ledningsevne, overlegen oxidationsmodstand og fremragende mekaniske egenskaber ved høje temperaturer. Imidlertid udgør den stærke kovalente binding og lave diffusionskoefficient, der er forbundet med SiC, en betydelig udfordring i at opnå høj fortætning under sintringsprocessen. Som følge heraf bliver sintringsprocessen et afgørende trin for at opnå høj ydeevneSiC keramik.

Dette papir giver et omfattende overblik over de forskellige fremstillingsteknikker, der anvendes til at producere tætteRBSiC/PSSiC/RSiC keramik, der fremhæver deres unikke egenskaber og anvendelser:

1. Reaktionsbundet siliciumcarbid (RBSiC)

RBSiCgår ud på at blande siliciumcarbidpulver (typisk 1-10 μm) med kulstof, forme blandingen til en grøn krop og udsætte den for høje temperaturer til siliciuminfiltration. Under denne proces reagerer silicium med kulstof til dannelse af SiC, som binder sig til de eksisterende SiC-partikler, hvilket i sidste ende opnår fortætning. To primære siliciuminfiltrationsmetoder anvendes:

Infiltration af flydende silicium: Silicium opvarmes til over dets smeltepunkt (1450-1470°C), hvilket tillader det smeltede silicium at infiltrere den porøse grønne krop gennem kapillærvirkning. Det smeltede silicium reagerer derefter med kulstof og danner SiC.

Vapor Silicium Infiltration: Silicium opvarmes til over dets smeltepunkt for at generere siliciumdamp. Denne damp gennemtrænger det grønne legeme og reagerer efterfølgende med kulstof og danner SiC.

Procesflow: SiC-pulver + C-pulver + Bindemiddel → Formning → Tørring → Bindemiddeludbrænding i en kontrolleret atmosfære → Højtemperatur-Si-infiltration → Efterbehandling

(1) Nøgleovervejelser:

Driftstemperaturen påRBSiCer begrænset af restindholdet af frit silicium i materialet. Typisk er den maksimale driftstemperatur omkring 1400°C. Over denne temperatur forringes materialets styrke hurtigt på grund af smeltningen af ​​det frie silicium.

Infiltration af flydende silicium har en tendens til at efterlade et højere restsiliciumindhold (typisk 10-15%, nogle gange over 15%), hvilket kan have en negativ indvirkning på slutproduktets egenskaber. I modsætning hertil giver dampsiliciuminfiltration mulighed for bedre kontrol over det resterende siliciumindhold. Ved at minimere porøsiteten i det grønne legeme kan restsiliciumindholdet efter sintring reduceres til under 10 %, og med omhyggelig processtyring endda under 8 %. Denne reduktion forbedrer det endelige produkts samlede ydeevne markant.

Det er vigtigt at bemærke detRBSiC, uanset infiltrationsmetoden, vil uundgåeligt indeholde noget resterende silicium (fra 8 % til over 15 %). Derfor,RBSiCer ikke en enfaset siliciumcarbidkeramik, men snarere en "silicium + siliciumcarbid"-komposit. FølgeligRBSiCer også omtalt somSiSiC (silicium siliciumcarbid komposit).

(2) Fordele og anvendelser:

RBSiCtilbyder flere fordele, herunder:

Lav sintringstemperatur: Dette reducerer energiforbruget og produktionsomkostningerne.

Omkostningseffektivitet: Processen er relativt enkel og bruger let tilgængelige råmaterialer, hvilket bidrager til dens overkommelighed.

Høj fortætning:RBSiCopnår høje tæthedsniveauer, hvilket fører til forbedrede mekaniske egenskaber.

Near-Net Shaping: Kulstof- og siliciumcarbidpræformen kan forbearbejdes til indviklede former, og den minimale krympning under sintring (typisk mindre end 3%) sikrer fremragende dimensionsnøjagtighed. Dette reducerer behovet for dyr eftersintringsbearbejdningRBSiCsærligt velegnet til store, kompleksformede komponenter.

På grund af disse fordele,RBSiCnyder udbredt brug i forskellige industrielle applikationer, primært til fremstilling:

Ovnskomponenter: Foringer, digler og saggars.

Rumspejle:RBSiC's lave termiske udvidelseskoefficient og høje elasticitetsmodul gør det til et ideelt materiale til rumbaserede spejle.

Højtemperaturvarmevekslere: Virksomheder som Refel (UK) har været pionerer i brugen afRBSiCi højtemperaturvarmevekslere, med anvendelser lige fra kemisk behandling til elproduktion. Asahi Glass (Japan) har også taget denne teknologi til sig og producerer varmevekslerrør med en længde på mellem 0,5 og 1 meter.

Ydermere har den stigende efterspørgsel efter større wafere og højere behandlingstemperaturer i halvlederindustrien ansporet udviklingen af ​​høj renhedRBSiCkomponenter. Disse komponenter, der er fremstillet ved hjælp af højrent SiC-pulver og silicium, erstatter gradvist kvartsglasdele i støttejigs til elektronrør og udstyr til behandling af halvlederwafer.

Semicorex RBSiC Wafer Boat til diffusionsovn

(3) Begrænsninger:

På trods af sine fordele,RBSiChar visse begrænsninger:

Residual Silicium: Som tidligere nævnt er denRBSiCprocessen resulterer i sagens natur i restfrit silicium i slutproduktet. Dette resterende silicium påvirker materialets egenskaber negativt, herunder:

Reduceret styrke og slidstyrke sammenlignet med andreSiC keramik.

Begrænset korrosionsbestandighed: Frit silicium er modtageligt for angreb af alkaliske opløsninger og stærke syrer som flussyre, hvilket begrænserRBSiC's brug i sådanne miljøer.

Lavere højtemperaturstyrke: Tilstedeværelsen af ​​frit silicium begrænser den maksimale driftstemperatur til omkring 1350-1400°C.

2. Trykløs sintring - PSSiC

Trykløs sintring af siliciumcarbidopnår fortætning af prøver med forskellige former og størrelser ved temperaturer mellem 2000-2150°C under en inert atmosfære og uden at påføre ydre tryk, ved at tilføje passende sintringshjælpemidler. SiC's trykløse sintringsteknologi er modnet, og dens fordele ligger i dens lave produktionsomkostninger og ingen begrænsninger på produkternes form og størrelse. Især solid-fase sintret SiC keramik har høj densitet, ensartet mikrostruktur og fremragende omfattende materialeegenskaber, hvilket gør dem meget udbredt i slidbestandige og korrosionsbestandige tætningsringe, glidelejer og andre applikationer.

Den trykløse sintringsproces af siliciumcarbid kan opdeles i fast fasesintret siliciumcarbid (SSiC)og væskefase sintret siliciumcarbid (LSiC).

Mikrostruktur og korngrænse af trykløs fastfase sintret siliciumcarbid

Fastfasesintring blev først opfundet af den amerikanske videnskabsmand Prochazka i 1974. Han tilføjede en lille mængde bor og kulstof til submikron β-SiC, hvilket realiserede trykløs sintring af siliciumcarbid og opnåede et tæt sintret legeme med en densitet tæt på 95 % af teoretisk værdi. Efterfølgende brugte W. Btcker og H. Hansner α-SiC som råmateriale og tilsatte bor og kulstof for at opnå fortætning af siliciumcarbid. Mange senere undersøgelser har vist, at både bor- og borforbindelser og Al- og Al-forbindelser kan danne faste opløsninger med siliciumcarbid for at fremme sintring. Tilsætningen af ​​kulstof er gavnlig ved sintring ved at reagere med siliciumdioxid på overfladen af ​​siliciumcarbid for at øge overfladeenergien. Fastfaset sintret siliciumcarbid har relativt "rene" korngrænser med stort set ingen væskefase til stede, og kornene vokser let ved høje temperaturer. Derfor er bruddet transgranulært, og styrken og brudsejheden er generelt ikke høj. Men på grund af dens "rene" korngrænser ændres højtemperaturstyrken ikke med stigende temperatur og forbliver generelt stabil op til 1600°C.

Væskefasesintring af siliciumcarbid blev opfundet af den amerikanske videnskabsmand M.A. Mulla i begyndelsen af ​​1990'erne. Dets vigtigste sintringsadditiv er Y2O3-Al2O3. Væskefasesintring har fordelen ved lavere sintringstemperatur sammenlignet med fastfasesintring, og kornstørrelsen er mindre.

De største ulemper ved fastfasesintring er den høje sintringstemperatur, der kræves (>2000°C), de høje renhedskrav til råmaterialer, det sintrede legemes lave brudsejhed og brudstyrkens stærke følsomhed over for revner. Strukturelt er kornene grove og ujævne, og brudtilstanden er typisk transgranulær. I de senere år har forskning i siliciumcarbid keramiske materialer i ind- og udland fokuseret på væskefase sintring. Væskefasesintring opnås ved at bruge en vis mængde multikomponent laveutektiske oxider som sintringshjælpemidler. For eksempel kan binære og ternære hjælpemidler af Y2O3 få SiC og dets kompositter til at udvise væskefasesintring, hvilket opnår ideel fortætning af materialet ved lavere temperaturer. På samme tid, på grund af indførelsen af ​​korngrænsevæskefasen og svækkelsen af ​​den unikke grænsefladebindingsstyrke, ændres brudtilstanden af ​​det keramiske materiale til en intergranulær brudtilstand, og brudsejheden af ​​det keramiske materiale forbedres væsentligt. .

3. Omkrystalliseret siliciumcarbid - RSiC

Omkrystalliseret siliciumcarbid (RSiC)er et højrent SiC-materiale fremstillet af højrent siliciumcarbid (SiC) pulver med to forskellige partikelstørrelser, groft og fint. Det sintres ved høje temperaturer (2200-2450°C) gennem en fordampnings-kondensationsmekanisme uden at tilføje sintringshjælpemidler.

Bemærk: Uden sintringshjælpemidler opnås væksten af ​​sintringshalsen generelt gennem overfladediffusion eller fordampning-kondensationsmasseoverførsel. Ifølge den klassiske sintringsteori kan ingen af ​​disse masseoverførselsmetoder reducere afstanden mellem massecentrene af de kontaktende partikler, hvilket ikke forårsager nogen krympning på en makroskopisk skala, hvilket er en ikke-fortætningsproces. For at løse dette problem og opnå high-density siliciumcarbid keramik har folk taget mange foranstaltninger, såsom at påføre varme, tilføje sintringshjælpemidler eller bruge en kombination af varme, tryk og sintringshjælpemidler.

SEM-billede af brudoverfladen af ​​rekrystalliseret siliciumcarbid

Karakteristika og applikationer:

RSiCindeholder mere end 99% SiC og stort set ingen korngrænse urenheder, bevarer mange fremragende egenskaber af SiC, såsom højtemperaturstyrke, korrosionsbestandighed og termisk stødbestandighed. Derfor er det meget udbredt i højtemperaturovnsmøbler, forbrændingsdyser, solvarmeomformere, dieselkøretøjers udstødningsgasrensningsanordninger, metalsmeltning og andre miljøer med ekstremt krævende ydeevnekrav.

På grund af fordampnings-kondensationssintringsmekanismen er der ingen krympning under brændingsprocessen, og der genereres ingen restspænding, der forårsager deformation eller revner i produktet.

RSiCkan dannes ved forskellige metoder såsom slipstøbning, gelstøbning, ekstrudering og presning. Da der ikke er nogen krympning under brændingsprocessen, er det nemt at få produkter med nøjagtige former og størrelser, så længe de grønne kropsdimensioner er godt kontrolleret.

Den fyredeomkrystalliseret SiC-produktindeholder cirka 10%-20% resterende porer. Materialets porøsitet afhænger i høj grad af porøsiteten af ​​selve det grønne legeme og ændrer sig ikke væsentligt med sintringstemperaturen, hvilket giver grundlag for porøsitetskontrol.

Under denne sintringsmekanisme har materialet mange indbyrdes forbundne porer, som har en bred vifte af anvendelser inden for porøse materialer. For eksempel kan det erstatte traditionelle porøse produkter inden for udstødningsgasfiltrering og fossilt brændstofluftfiltrering.

RSiChar meget klare og rene korngrænser uden glasagtige faser og urenheder, fordi eventuelle oxid- eller metalurenheder er fordampet ved høje temperaturer på 2150-2300°C. Fordampnings-kondensationssintringsmekanismen kan også oprense SiC (SiC-indhold iRSiCer over 99 %), hvilket bevarer mange fremragende egenskaber af SiC, hvilket gør det velegnet til applikationer, der kræver højtemperaturstyrke, korrosionsbestandighed og termisk stødbestandighed, såsom højtemperaturovnsmøbler, forbrændingsdyser, solvarmeomformere og metalsmeltning .**